踏板摩托车车架有限元分析

踏板摩托车车架有限元分析
摘要：采用Pro/E软件的MECHANICA模块，对踏板摩托车车架进行了强度分析，找出影响强度及刚度的因素及改进车架强度和刚度的方法，通过对车架施加不同
的工况载荷，分析计算结果的应力云和应变云，找出不同工况载荷下车架的危险
截面，作为设计开发过程中的参考，根据有限元分析结果修正模型设计，达到最
佳强度的车架设计。

关键词：强度分析工况载荷有限元分析
引言
通过分析踏板车前后悬架系统的运动轨迹，计算出摩托车在各种工况下，根
据前、后减震器行程、手把的转角、吊架及缓冲块的工作状态，设计前、后悬架
的运动轨迹，保证前、后悬架与整车各个零部件之间在摩托车各种载荷下各零部
件之间的间隙，避免各零部件在运动过程中的干涉与碰撞。

1概述
车架是摩托车的骨架，它将发动机、传动系统、制动系统、行走系统、转向
及悬挂系统等有效的连接起来，构成一个整体。

车架除了承受静载荷外，还要承
受行驶时产生的动载荷、冲击载荷。

摩托车车架的结构设计须从下几方面考虑：1）车架的结构布置应符合人机工程学的要求，使整车骑行舒适。

2）具有足够的强度，使其主要零部件在正常受力的情况下不受破坏，同时
还要考虑到能适应各种不同类型的道路情况。

3）具有足够的刚度，使车辆工作时不易产生变形。

刚度过大，会影响乘坐
舒适性，刚度过低，操纵稳定性降低。

4）车架的重量要轻，在满足强度和刚度的情况下，车架越轻越好。

目前摩托车车架的典型结构是采用成形管和冲压件组合焊接而成的框架结构，这样既能满足对强度与刚度的要求，又能达到结构紧凑、低成本的要求。

2车架有限元建模及分析
摩托车的主要振源来自发动机，本文研究的是低跨式（钢管型）车架，发动
机与车架之间是直接通过螺栓刚性连接的，发动机的振动直接传递给了车架。

当
发动机的一、二阶惯性力频率与车架的模态频率同步时，就会引起共振。

由于现
有摩托车车架的前几阶固有频率与发动机常用转速下的一、二阶惯性力频率比较
接近，容易引起共振现象。

通过对道路激励引起的摩托车振动进行分析，从摩托
车发动机这一引起摩托车振动的主要根源出发，对摩托车车架进行模态频率响应
的优化设计，以使车架的前几阶固有频率避开发动机常用转速下的一、二阶惯性
力频率，从而达到提高摩托车的动态特性和缓解摩托车振动的目的。

2.1设计思路
在实际运用中，电动摩托车车架会受到自身载荷和道路冲击载荷这双重压力
的考验。

如车架的应力过大会破坏正常结构，从而影响整车的使用寿命和可靠性；如车架的应力过小，强度有较多的冗余，则会增加车辆自身的质量，造成资源浪费。

因此车架的结构性能十分重要，但车架结构和受力均比较复杂，定量分析车
架的结构强度较困难。

文中利用有限元分析方法在车身结构设计阶段对强度进行
初步分析，通过合理选择结构形式及所用材料，使其具备良好的特性，从而减少
现场测试次数，缩短投入市场的时间，为进一步优化设计和结构改进提供参考。

2.2车架模型构建
依据电动摩托车的类型、总体尺寸与布置、电动机的型号与功率、外形设计
特点、制造工艺水平、安全性和经济性等特性，可采用不同的车架形式。

在车架
的结构形状上，可选择摇篮式车架、跨接菱形式车架、脊梁式车架、低跨式车架
和组合摇臂式车架等。

3车架的强度和刚度要求
设计车架结构时，最主要的是达到车架强度和刚度的要求。

3.1架的强度要求
在载荷的作用下，车架必须有足够的强度，包括静强度和疲劳强度。

静强度
是指在承受冲击载荷时，车架抵抗永久变形的能力。

在设计车架的初期阶段，通常将车架简化为简支梁，承受均布载荷，即可计
算出静载荷情况下的最大弯矩值及截面位置，然后用第四强度理论结合其静强度。

疲劳强度是指摩托车在行驶过程中，承受复变应力时，不产生疲劳裂纹和疲劳断
裂的能力。

通常摩托车车架主要损坏型式是疲劳破坏，一般先在局部区域产生裂纹，裂纹不断扩展导致断裂。

如果车架的疲劳强度不够，就容易发生车架断裂的
严重事故。

因此在设计过程中，合理设计车架的接头和焊缝，是提高车架强度的
重要保证。

3.2车架的刚度要求
车架刚度主要包括弯曲刚度和扭转刚度。

两轮摩托车运动自由度大，若车架
刚度过低，车辆高速行驶时手把摆动难以控制，操纵稳定性差，进而影响转弯时
安全性；若车架刚度过高，车辆转弯时驾驶员要求有特别快的反应速度，易造成
过敏性反应，导致车架的强烈振动，影响骑乘舒适，且摩托车大都采用全承载式
车架结构，几乎承受了整车使用过程中的所有载荷。

在这些载荷作用下，如果刚
度设计不合理会直接或间接地影响车辆可靠性、安全性及动力响应等关键性指标。

因此，车架的设计应该是在质量尽可能小的前提下，最大限度地提高车架的刚度。

4摩托车车架结构优化
对摩托车的车架进行结构优化，减轻质量，不仅对减少原材料的浪费、降低
生产成本、提高企业的竞争力有重要的实际意义，而且对新产品的开发具有指导
意义。

减轻车架质量一般有两种途径：一是从新材料入手减轻结构质量；二是从
优化设计入手，在保证承载能力和可靠性的前提下减轻其质量。

前者轻量化效果
明显，但研发成本高，工艺比较复杂；后者成本低且易于实现，方案得当也能达
到良好的轻量化效果。

实现轻量化传统的经验设计带有许多盲目性，设计校核的
周期比较长。

运用有限元分析可以使车架的轻量化设计始终处于一种可预见、可
控制状态，以车架质量为目标函数，求出最优解。

根据车架的实际受力情况及载
荷工况，在不改变车架结构拓扑关系的情况下，影响其质量的主要因素为板壳厚度。

因此本文在结合ABAQUS有限元软件车架模态分析的基础上，选用工程中常
用规格的几款型钢，在满足刚强度的基础上可供选择的车架管材和板材规格较少，因此本文对可选规格材料进行组合优化，择优选取各部分材料规格。

由于发动机的质量较大，它既是摩托车的动力源，又是摩托车振动的一个振源。

因此，在车架优化时主要考虑车架在满足刚强度要求的前提下，避开发动机
的各个工作频率。

对某型摩托车而言，当发动机在四个档位工作时，其一阶惯性
力频率是25.581Hz、41.134Hz、55.686Hz、70.833Hz，二阶惯性频率是51.162Hz、82.268Hz、111.372Hz、141.666Hz，可以看出发动机的二阶惯性力频率覆盖了车架的第一阶模态频率，因而当发动机的二阶惯性力频率与车架的模态频率同步时，
会引起车架的共振。

结语
本文首先对最优化方法在工业设计方面的应用做了简要概述；其次对车架建立有限元模型，对其进行模态分析，并在此基础上完成了车架的轻量化优化设计的目标。

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